原创 基于PXI的传统视频显示器测试解决方案

摘要

Autotestcon 2010的主旨“45年的支持创新——以光速前进”，这个主旨对军用ATE系统是非常有意义的，因为它强调努力保持二分法的最先进的测试能力，同时需要支持传统的老技术 – 可能是几十年，像Autotestcon本身一样长久。对于支持基于晶体管的离散电子器件、TTL、CMOS和其他在1960~1970年代期间兴起的技术的需求，使用围绕定制ASIC、高性能FPGA和逻辑电平搭建的测试系统呈现出独特的挑战。

上个世纪部署的系统，使用CRT监视器向技术人员或操作人员提供显示信息。这些监视器是基于模拟视频传输标准的，比如RS170、NTSC（国家电视标准委员会，National Television Standards Council）、PAL（逐行倒相制式，Phase Alternating Line）和其他相似的标准。现今，DVI与HDMI数字视频广泛使用，很难找到商用CRT监视器了。但是在老旧的部署系统中CRT监视器依旧被广泛使用。

本篇文档是一个应用案例，使用基于PXI的仪器生成NTSC与PAL制式的简单彩条信号，用于支持Mini Samson或Katlanit远程控制武器站。通过集成现成的PXI FPGA板卡与在公共领域与少数商用领域可用的知识产权核心（IP，intellectual property core），提供低成本的解决方案，支持生成用于测试CRT与LCD监视器的模拟与数字视频信号。此种解决方案的灵活性步进可以满足原始的基本需求 - 生成彩条码型信号，还可以通过扩展包括更多复杂的测试码型。

关键字：视频信号发生器，PXI视频信号发生器，FPGA

概览

Rafael系统部门在1990年代开发了Samson远程控制武器站（RCWS，Remote Controlled Weapon Station）[1]，这是一个可令大量设备自动操作或远程控制的武器平台，支持的武器包括5.56mm、7.62mm和12.7mm机枪，40mm自动榴弹发射器，反坦克飞弹与观察哨。Samson远程控制武器站的一种变体形式，称为Mini Samson或Katlanit，早在2000年代就已研发，在2006年首次部署。

Geotest – Marvin Test Systems被指派搭建一个用于测试Katlanit远程控制武器站组件的测试系统。TS-230测试系统可全方面地对Katlanit武器系统进行CU（Control Unit）、DU（Display Unit）与GCHU (Gun Control Hand Unit) 的功能测试。这些待测组件包含了RCWS平台的80%。CU是RCWS系统的计算机，用于监测机枪与载具的相对位置，根据载具类型不同判断不能进行射击的位置与角度（比如，接近哨口边缘载的位置或载具前部特定角度），还支持其他RCWS控制功能与驱动命令。DU是RCWS瞄准的控制与显示单元，同时也显示这些单元的图像数据。GCHU是通过遥杆控制CU，由操作人员控制点火射击。

原始的测试需求要求使用定制的DU接口测试盒进行手动测试。纯手动的测试系统的设计令集成度更加复杂，系统交互有限。未来的测试系统要求彩条信号发生器能够提供标准的NTSC或PAL制式视频信号进行DU自动测试。TS-230测试系统的升级包括基于PXI的彩条信号发生器，用于生成标准NTSC或PAL制式彩条视频信号；也支持生成其他码型，用于测量视频码型的清晰度、亮度、角度、对比度。使用PXI彩条信号发生器后，DU接口测试盒将会被淘汰，同时也会实现DU测试的完全自动化，提高测试能力，避免不必要的手动操作。

方案实施

通过集成多款COTS（Commercial Off-The-Shelf）与控制软件，提供一个灵活、且低成本的解决方案，可用于测试传统的NTSC与PAL制式视频信号，也可用于测试VGA监视器。测试系统的核心是Geotest GX3500，一款结合了Altera Cyclone III FPGA的3U PXI FPGA板卡（如图1）。除了Altera Cyclone III FPGA的高性能与高等效逻辑门密度外，GX3500也是此类应用的理想平台，因为在GX3500板卡上安装具有自定义接口的或集成了附加功能的扩展板卡，在本解决方案中就利用了扩展板卡的这两个用途。

GX3500 FPGA板卡

GX3500的公共是多样的，为本应用提供了一个现成的PXI平台，已包括视频信号发生器的硬件与固件组件。GX3500板卡上安装了两块FPGA，一块（称为PXI Interface FPGA）专用于连接至PXI总线，提供所有的握手、地址解码与其他PXI仪器所需要的功能。另一块FPGA（称为Cyclone III），几乎是完全预留用于用户的特定应用，Cyclone III的一小部分等效逻辑门资源用于连接另一块PXI Interface FPGA。通过PXI Interface FPGA将PXI总线与Cyclone III相连，在Cyclone III内部就不需要集成PCI IP核了，节省了开发时间并且为用户的特定应用（在本方案中就是视频信号发生器）节省了大量的等效逻辑门。可使用Altera的 Web版Quartus II软件 进行GX3500的Cyclone III FPGA逻辑设计，此软件完全免费，可在Altera官网下载[2]。

视频信号发生器IP核

视频信号发生器的关键是Altera提供的开源VGA控制器IP核[3]。本项目的最初目的是生成NTSC与PAL复合视频信号，选择VGA IP核的原因是因为它能够提供与这些视频标准相似的分辨率。VGA控制器生成垂直与水平同步定时的视频数据，为扩展板卡中的DAC提供像素时钟；还具有内存管理功能，处理512Kb x 3 SRAM图像缓冲器，为NTSC/PAL编码器提供其他VGA控制，编码器与图像缓冲器都位于扩展板卡上。

视频信号发生器的输出被馈送至视频DAC。图像数据或者像素数据通过三个颜色（红、绿、蓝）通道传输，每通道分辨率10 bit。传输到视频DAC的数据通过VGA IP生成的像素时钟实现和同步与消隐控制的同步。

图像码型缓冲器

Cyclone III FPGA不具有足够的内部内存储存一个完整的640 x 480 VGA图像，所以在扩展板卡上安装了一个外部512Kb x 32 SRAM（Static Random Access Memory）。通过集成在视频IP核中的内存管理器单元控制SRAM。只要将一个位图图像写入到SRAM中，就会使图像以选定的视频制式输出（VGA、NTSC或PAL）——一旦该仪器处于运行状态。

视频DAC（ADV7123）

ADV7123是一款三通道、高速、数模转换器，由Analog Devices公司提供。包括三个高速、10 bit视频DAC（通道），具有差分输出与标准TTL输入接口[4]。ADV7123与很多高分辨彩色图像系统兼容，比如NTSC（RS-170A）。

RGA数据，VGA IP核接口至ADV7123的同步与消隐控制和像素时钟同步，像素时钟由IP核提供。像素时钟是通过图像（640 x 480）的水平与垂直分辨率、刷新率（60 Hz）、回扫时间或消隐因素（0.8）经过简单的计算得出的。对于640 x 480的图像，像素时钟为23.04 MHz。

NTSC/PAL编码（AD725）

ADV712视频DAC的输出是VGA信号，为了支持NTSC与PAL视频信号，需要使用编码器。AD725，由Analog Devices公司提供，是一款低价、通用的RGA-NTSC/PAL编码器，此款编码器根据NTSC或PAL标准将红、绿、蓝彩色信号转换为相应的亮度（基带信号的幅度）与色度（副载波的幅度与相位）信号[5]。

为了支持NTSC或PAL视频标准，图像数据必须以交错的形式馈送至编码器。通常，VGA是非交错的，所以必须在VGA IP核中添加控制，当断言时IP核以奇数/偶数交错形式馈送图像数据至编码器。编码器要求时钟是选择的视频标准的彩色副载波的4倍，NTSC为14.318180MHz，PAL为17.734475MHz。这些时钟由专用的晶体振荡器生成，以保证稳定性，并由FPGA控制的多路复用器进行选择。像素时钟与视频DAC的其他定时参数可进行适当的程控以满足NTSC或PAL制式的不同分辨率需求。图2为安装了满足特定应用需求的扩展板卡的PXI FPGA模块。

软件

通过读写Cyclone III的多个控制寄存器实现对视频信号发生器硬件的控制。底层驱动库提供一些函数，调用这些函数极性以下操作：加载图像、选择视频标准、使能硬件显示储存在SRAM缓冲器中的图像。驱动库以DLL形式发布，易于与任何基于Windows的编程语言集成。其中一个函数，用于加载位图图像至图像缓冲器，可令测试码型以选择的视频标准进行显示。函数访问BMP图像文件的路径与名称，并将24 bit BMP图像（每个颜色通道8 bit）转换为30 bit（每个颜色通道10 bit），将数据向左移动2 bit以另10 bit码型的MSB对齐——有效地填充每个10位颜色通道的两个LSB。集成了视频测试码型发生器的测试系统如图3。高层控制包括预定义测试码型，可以通过主机选择并加载至视频信号发生器。用户可选视频标准VGA、NTSC或PAL，软件会设置相应的控制寄存器。

总结

利用现今的技术与PXI平台，结合灵活的FPGA平台、一些商业上可用的组件与控制软件，提供了一种灵活且低成本、支持传统显示设备的视频测试解决方案。对于很多显示器与视频处理器的测试需求，使用标准的PXI FPGA产品与满足特定应用的扩展板卡可以提供一种低成本且紧凑的视频信号发生器——从此不再需要昂贵、单一的视频信号发生器。